XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Цель:

Углубленное изучение вопросов, связанное с историей биоэнергетики и знакомство с учеными, которые стояли у истоков биоэнергетики.

Задачи:

Научиться анализировать прочитанное, вычленять главное, основные положения по данной теме среди всего объема полученной информации и научиться оформлять отобранный научный материал

Биоэнергетика - совокупность процессов преобразования энергии, поступающей извне, в биологически полезную работу живых систем, как раздел биохимии, изучающий механизмы трансформации и запасания энергии в живых системах, сформировалась на стыке биофизики, биохимии, молекулярной биологии и физиологии клетки.

Началом биоэнергетики можно считать работы немецкого врача Роберта Майера (25.10.1814 – 20.03.1878), установившего в 1845 г. основные принципы закона сохранения энергии для немеханических явлений. Узаконен этот термин был лишь в 1968 г. на симпозиуме по биохимии, состоявшемся в итальянском городке Полиньяно на берегу Адриатического моря, где ученые решили, что науку, изучающую энергообеспечение живых существ, следует назвать «биоэнергетика».

Альберт Сент-Дьёрдьи (16 сентября 1893— 22 октября 1986), в 1956 г. опубликовал небольшую книжку под названием «Биоэнергетика», в которой было множество увлекательных мыслей и гипотез, но испытание временем выдержало лишь слово, вынесенное автором на обложку.

Лавуазье А.Л. (26.08.1743 - 8.05.1794) разработалтеорию флогистона, она объединяла, но не объясняла многие из этих явлений. Сущность этой теории: теория признает существование особого элемента- флогистона, в большей или меньшей степени насыщающего все горючие тела. Металл сгорает– флогистон выделяется. В результате получается окись, простое тело: металл минус флогистон. В 1772 году он представил в академию коротенькую записку, в которой сообщал о результате своих опытов, показавших, что при сгорании серы и фосфора они увеличиваются в весе за счет воздуха. Объяснить факт горения значило объяснить целый мир явлений окисления. В 1774 году он представил академии мемуар о прокаливании олова, в котором сформулировал и доказал свои взгляды на горение. Олово при этом прокаливалось в замкнутой реторте и превратилось в «землю», или же окись. Общий вес остался неизменным – следовательно, увеличение веса олова не могло происходить за счет присоединения «огненной материи». В трактате «О горении вообще» 1777 года он подробно развивает свою теорию - всякое горение есть соединение тела с кислородом и результат его –сложное тело, а именно «металлическая земля» (окисел).

Помимо теории о горении, им было предложено учение о животной теплоте. Она развивается вследствие сгорания тканей за счет кислорода, поглощаемого при дыхании. Количество поглощаемого кислорода увеличивается на холоде, при пищеварении, а особенно при мышечной работе. Пища играет роль топлива: «если бы животное не возобновляло того, что теряет при дыхании, оно скоро погибло бы, как гаснет лампа, когда в ней истощится запас масла». Позднее Лавуазье доказал, что «Дыхание есть медленное горение». Его исследования показали, что дыхание животных есть медленное горение, на счет которого в организме поддерживается всегда постоянный запас тепла. Названные исследования стараются установить соотношение между количеством выделяемой организмом углекислоты и состоянием покоя или работы, в котором организм находится.

В 1896 году русским ученым А.Н Бахом была сформулирована теория медленного окисления. В основе теории Баха лежит понятие о пероксидах — перекисеобразных соединениях, образующихся присоединением кислорода к самоокисляющимся веществам. В этом случае кислород может частично или полностью отщепляться в виде атомов с ненасыщенными валентностями и поэтому легко окисляет соединения, которые не окисляющиеся, при обычных условиях.

В 1912 г. Палладин В.И впервые высказал идею о том, что биологическое окисление есть перенос водорода от окисляемого вещества к кислороду с образованием воды в качестве конечного продукта. Ученый выделил две фазы биологического окисления: 1-ая фаза - анаэробная, на этом этапе водород от органических молекул передается на промежуточные переносчики; вторая фаза – аэробная, на этом этапе водород от промежуточных переносчиков передается на кислород с образованием воды: Концепция Палладина В.И. быстро получила подтверждение. Таким образом, были выделены и охарактеризованы разнообразные ферменты-дегидрогеназы.

Основные положения теории Палладина:

- Вода наряду с окисляемым субстратом выполняет роль донора водорода.

- Непременным участником дыхания является вода.

- Молекулярный кислород используется на заключительном этапе дыхания для регенерации акцепторов водорода с образованием воды.

- В процессе дыхания участвуют специфические активаторы водорода, отнимающие водород от субстрата.

- Первые этапы дыхания являются анаэробными и не требуют присутствия молекулярного кислорода.

В течении 50 лет своей научной деятельности Варбург вел исследования в некоторых направлениях: изучение рака, фотосинтеза, и ферментов клеточных окислительных реакций. В 1913 г., изучая потребление кислорода клетками печени, Варбург обнаружил субклеточные частицы, которые он назвал гранулами; как оказалось впоследствии, это были митохондрии. В конце 1920 г. Варбург открыл первый дыхательный фермент цитохромоксидазу. При этом он использовал метод радиационной физики, в котором раствор комплекса фермент – кофермент освещается монохроматическим светом и получающийся образец абсорбции анализируется, Варбург установил, что активным коферментом цитохромоксидазы является молекула порфирина с атомом железа, действующим как переносчик кислорода. Выявляя биохимические изменения, происходящие в процессе превращения нормальных клеток (с контролируемым ростом) в раковые (с неконтролируемым ростом), Варбург измерял скорость потребления кислорода, используя тканевые срезы. Он обнаружил, что, нормальные и опухолевые клетки потребляют эквивалентные количества кислорода, последние в присутствии кислорода вырабатывают большое количество молочной кислоты, таким образом, опухолевые клетки чаще используют анаэробный путь метаболизма глюкозы и что в действительности нормальные клетки трансформируются в злокачественные из-за недостатка кислорода. В 1920-х годах Отто Генрих Варбург открыл данный эффект, и позднее в 1974 году Эфраимом Рэкером был назван «Эффектом Варбурга».

Эффект Варбурга - это склонность большинства раковых клеток производить энергию преимущественно с помощью очень активного анаэробного гликолиза с последующим образованием молочной кислоты, а не посредством медленного аэробного гликолиза и окисления пирувата в митохондриях, как в большинстве нормальных клеток. В клетках быстро растущей злокачественной опухоли уровень гликолиза почти в 200 раз выше, чем в нормальных.
На этом этапе вопрос изучения биоэнергетики не заканчивались, так Д. Кейлин в 1884 году продолжил открытие дыхательных пигментов и выделил цитохромы b и c. На сегодняшний день известны более 30 цитохромов, часть из которых включается в дыхательную цепь, исследование этих вопросов продолжается до сих пор и находит научное обоснование.

Выражаем благодарность к.б.н, доц. Амелиной Л. В. за помощь в выполнении работы.

Список литературы:

1.Джуа, Мишель. История химии. — М., 1975.

2.Вюрц, «История химических воззрений от Лавуазье до наших дней» (1870);

3.Фролова Л. А. Владимир Иванович Палладин. — М., 1986. — (Научно-биографическая литература).

4.Манн, Т. (1964). "Дэвид Кейлин, 1887-1963". Биографические мемуары членов Королевского общества.

5.Попов В. О., Звягильская Р. А. Алексей Николаевич Бах — великий учёный, организатор отечественной биохимии // Прикладная биохимия и микробиология. 2007.